Jurnal Matematika Vol. 4 No. 2, Desember 2014. ISSN: 1693-1394
Sifat Strong Perron-Frobenius Pada Solusi Positif Eventual Sistem Persamaan Differensial Linier Orde Satu Yulian Sari FKIP Pendidikan Matematika Universitas Riau Kepulauan e-mail:
[email protected]
Abstrak: Artikel ini membicarakan tentang sifat strong Perron-Frobenius pada solusi positif eventual sistem persamaan differensial linier orde satu. Syarat perlu agar solusi positif eventual sistem persamaan differensial linier orde satu diajukan. Beberapa kriteria tentang matriks eksponensial positif eventual dan matriks positif eventual juga akan digunakan dalam teorema. Kata kunci: solusi positif eventual, strong Perron-Frobenius, matriks eksponensial.
1. Pendahuluan Diberikan suatu sistem persamaan diferensial linier orde satu sebagai berikut.
dimana sebagai berikut
,
̇( )
( )
)
dan ̇
( )
( )
(1) [
.
]. Solusi sistem (1) diberikan
(2)
Dalam [3] dinyatakan bahwa sistem (1) dengan , jika adalah matriks eksponensial positif eventual, maka (2) disebut sebagai solusi positif eventual. Solusi tersebut erat kaitannya dengan adalah matriks eksponensial positif eventual. Syarat cukup untuk solusi positif eventual juga telah dikemukakan dalam [3]. Namun kajian tentang solusi positif eventual belum banyak dibahas oleh peneliti. Topik tentang matriks eksponensial positif eventual telah dibahas di berbagai literatur. Dalam [1,2] dikemukakan ekuivalensi beberapa sifat yang terkait dengan matriks eksponensial positif eventual. Sifat lainnya yang juga dikemukakan diantaranya yaitu sifat strong Perron-Frobenius pada matriks eksponensial positif eventual. Oleh karena banyaknya penggunaan sifat strong Perron-Frobenius pada suatu matriks
63
Yulian Sari/ Sifat Strong Perron-Frobenius …
tertentu, artikel ini akan memaparkan suatu syarat perlu agar sistem (1) dengan solusi positif eventual. Dalam hal ini sifat strong Perron-Frobenius diperlukan. 2. Notasi dan Definisi Simbol menyatakan himpunan matriks riil berukuran . Simbol menyatakan himpunan vektor riil dengan komponen. Himpunan semua nilai eigen dari berukuran disebut sebagai spektrum dari yang dinotasikan dengan ( ). Radius spektral dari , dinotasikan dengan ( ), didefinisikan sebagai ( ) *| | + ( ). Suatu nilai eigen dari dikatakan dominan jika | | ( ). Absis * ( )| spektral dari , ditulis ( ) didefinisikan sebagai ( ) ( )+ dimana ( ) menyatakan bagian riil dari . Definisi 2.1. Misalkan
. Matriks
dikatakan
1. positif eventual, dinotasikan dengan A 0, jika terdapat bilangan bulat positif k0 k sedemikian sehingga A > 0 untuk setiap k ≥ k0. Bilangan bulat positif terkecil k0 = k0(A) disebut sebagai indeks pangkat dari A. 2. positif eksponensial, jika untuk setiap ∑
3. eksponensial positif eventual, jika terdapat untuk setiap . Definisi 2.2. [1] Suatu matriks
,
) sedemikian sehingga
dikatakan memiliki:
1. sifat Perron-Frobenius, jika nilai eigen dominannya adalah positif dan vektor eigen yang terkait dengan nilai eigen dominannya adalah nonnegatif 2. sifat strong Perron-Frobenius, jika nilai eigen dominan positifnya berjumlah satu buah dan vektor eigen yang terkait dengan nilai eigen dominannya adalah positif.
3. Hasil dan Pembahasan Berikut akan dikemukakan teorema yang mendasari hasil utama dalam artikel ini. Teorema 3.1. [2] Misalkan i). ii).
. Pernyataan berikut ekivalen:
Matriks A dan memiliki sifat strong Perron-Frobenius. A merupakan matriks positif eventual.
64
Jurnal Matematika Vol. 4 No. 2, Desember 2014. ISSN: 1693-1394
Teorema 3.2 [1] Misalkan i). ii).
. Pernyataan berikut ekivalen:
merupakan matriks positif eventual untuk suatu A merupakan matriks eksponensial positif eventual.
.
Teorema 3.3. [3] Untuk sistem ̇ ( ) ( ) dengan syarat awal ( ) , jika adalah matriks positif eventual untuk suatu , maka solusi ( ) sistem tersebut adalah positif eventual untuk setiap . Bukti Misalkan adalah matriks positif eventual untuk suatu , maka berdasarkan teorema 3.3, matriks A adalah matriks eksponensial positif eventual. Akibatnya terdapat , ) sedemikian sehingga untuk setiap . Karena , maka ( ) . ( ) dengan syarat awal ( )
Dengan demikian, solusi sistem ̇ ( ) positif eventual.
, adalah □
Akibat 3.4. Untuk sistem ̇ ( ) ( ) dengan syarat awal ( ) Jika solusi sistem tersebut positif eventual, maka terdapat a 0 sedemikian sehingga A aI dan AT aI memiliki sifat Strong Perron Frobenius. B UKTI. Misalkan ̇ ( ) ( ) adalah sistem dengan solusi positif eventual. Hal tersebut berarti bahwa sistem ̇ ( ) ( ) dengan adalah matriks eksponensial positif eventual dan dengan syarat awal ( ) . Menurut Teorema 3.3, karena adalah matriks eksponensial positif eventual, maka adalah matriks positif eventual untuk suatu . Perhatikan adalah matriks positif eventual. Akan dibuktikan bahwa matriks memiliki sifat strong Perron-Frobenius. Karena ) matriks positif eventual, maka ada sedemikian sehingga ( ) ) memiliki nilai eigen . Misalkan ( , maka matriks ( dominan positif, sebutlah , dan vektor eigen yang bersesuaian dengan nilai eigen ) , maka adalah positif, sebutlah Karena adalah nilai eigen dari ( adalah nilai eigen dari (
)
dengan vektor eigen yang bersesuaian dengan
nilai eigen adalah . Karena hal tersebut terjadi untuk setiap ( ) memiliki sifat strong Perron-Frobenius. Selanjutnya akan dibuktikan bahwa . Frobenius. Karena (
)
/
juga memiliki sifat strong Perron-
adalah matriks positif eventual, maka matriks (
65
, maka
)
Yulian Sari/ Sifat Strong Perron-Frobenius …
) )
sedemikian sehingga ((
juga positif eventual. Akibatnya, ada
) ) ) ) memiliki untuk setiap . Karena (( , maka matriks (( nilai eigen dominan positif, sebutlah , dan vektor eigen yang bersesuaian dengan nilai eigen adalah positif, sebutlah Karena adalah nilai eigen dari ) )
((
, maka
adalah nilai eigen dari (
)
dengan vektor eigen yang
bersesuaian dengan nilai eigen adalah . Karena ini terjadi untuk setiap ) memiliki sifat strong Perron-Frobenius. Hal tersebut berarti maka ( memiliki sifat strong Perron-Frobenius.
,
Contoh berikut mengilustrasikan syarat perlu agar solusi sistem differensial linier orde satu adalah matriks A aI dan AT aI memiliki sifat Strong Perron Frobenius untuk suatu . Contoh 3.5. Diberikan sistem persamaan diferensial linier [
( )
]dan syarat awal
̇( )
[ ] Akan ditunjukan bahwa solusi
sistem tersebut adalah positif eventual. Perhatikan bahwa untuk matriks adalah sebagai berikut [
]
[
]
)
[
[
diperoleh
]
sedemikian sehingga (
Selanjutnya akan dicari bilangan bulat positif Perhatikan matriks berikut. (
( ) dengan
)
]
Karena entri pada matriks telah bernilai positif untuk , sehingga matriks merupakan matriks positif eventual dengan sedemikian sehingga ( ) Dengan demikian matriks adalah matriks positif eventual. Berdasarkan Teorema 3.3, maka solusi sistem pada Contoh 3.5 mestilah positif eventual. Selanjutnya akan diperiksa sifat strong Perron-Frobenius pada matriks ) . Perhatikan bahwa untuk , maka dengan mudah diperoleh ( +. Nilai eigen dominan dari { } * adalah dan vektor eigen yang berkaitan dengan
adalah
. Karena komponen vektor
positif
[ ]
maka matriks
memiliki sifat strong Perron Frobenius. Hal tersebut juga berlaku
66
Jurnal Matematika Vol. 4 No. 2, Desember 2014. ISSN: 1693-1394
untuk matriks
. Perhatikan bahwa untuk [
maka dengan mudah diperoleh dominan dari adalah adalah
[ ].
]
(
,
[
]
[
]
)
+. Nilai eigen { } * dan vektor eigen yang berkaitan dengan
Karena komponen vektor
positif maka matriks
memiliki
sifat strong Perron Frobenius. Dengan menggunakan cara yang sedikit berbeda dari Contoh 3.5, berikut diilustrasikan nilai secara umum pada Teorema 3.4 untuk sistem yang diberikan. Contoh 3.6. Diberikan sistem persamaan differensial [
] dan denga syarat awal
( )
̇( )
( ) dengan
[ ]. Selanjutnya akan diperiksa
keberadaan sifat strong Perron-Frobenius pada sistem tersebut. Perhatikan bahwa untuk setiap , bukan matriks positif eventual untuk setiap ) dengan sehingga ( . Selanjutnya dipilih matriks nonsingular P dan Q, yaitu [
] dan [
]
sehingga diperoleh
[
]
dengan adalah matriks yang similar dengan . Matriks di atas jelas bukan matriks , - sehingga eksponensial positif eventual untuk setiap dengan .
67
Yulian Sari/ Sifat Strong Perron-Frobenius …
Solusi sistem tersebut diberikan sebagai berikut. ( )
[ ] [
]
[
]
Selanjutnya akan diperiksa sifat Strong Peron Frobenius dari matriks dan , ( )- untuk setiap nilai . untuk suatu . Perhatikan nilai ,
(
(
)-
sehingga diperoleh
(
)( )
Nilai eigen dominan dari berkaitan dengan
)
{
}
{
√
√ √
adalah
untuk setiap nilai
}.
dan vektor eigen yang
adalah
. Karena
√
[
memuat
]
komponen vektor negatif, maka jelas bahwa matriks tidak memiliki sifat strong Perron Frobenius. Hal tersebut juga berlaku untuk matriks . Perhatikan bahwa untuk setiap nilai berlaku 0
.
/1
sehingga diperoleh dominan dari untuk setiap nilai negatif, maka matriks
( ) adalah adalah
+. Nilai eigen } * dan vektor eigen yang berkaitan dengan
{ [
].
Karena
memuat komponen vektor
tidak memiliki sifat strong Perron Frobenius.
68
Jurnal Matematika Vol. 4 No. 2, Desember 2014. ISSN: 1693-1394
4. Kesimpulan dan Saran Berdasarkan uraian dari pembahasan, syarat perlu agar solusi sistem ̇ ( ) ( ) positif eventual adalah matriks dan memiliki sifat Strong PerronFrobenius. Topik-topik kajian solusi positif eventual untuk sistem persamaan differensial linier masih merupakan hal baru. Pengembangan tentang kajian ini masih sangat diperlukan. Selain itu, solusi positif eventual untuk sistem persamaan yang bukan sistem persamaan differensial linier orde satu bisa menjadi topik yang dapat dikembangkan selanjutnya. 5. Ucapan Terima Kasih Penulis mengucapkan terima kasih kepada Program Studi Matematika Universitas Udayana dan Program Studi Pendidikan Matematika Universitas Riau Kepulauan atas kerjasama dan dukungannya sehingga hasil penelitian ini dapat dipublikasikan.
Daftar Pustaka [1] Noutsos, D. and M. J. Tsatsomeros. 2008. Reachability and Holdability of Nonnegatif States. SIAM Journal on Matrix Analysis and Applications. 30:700-712. [2] Noutsos, D. 2006. On Perron-Frobenius Property of Matrices Having Some Negative Entries. Linear Algebra and Its Applications 412, p.132-153. [3] Sari, Yulian. Muhafzan. 2011. Solusi Positif Eventual Sistem Persamaan Differensial Linier Homogen Orde Satu. Prosiding, Seminar Nasional Matematika yang diselenggarakan oleh FMIPA Unand, tanggal 21 Juni 2011. Padang: Universitas Andalas.
69
